Esquerda:Imagens de microscopia de força atômica de filmes finos de Mo-BiVO4 antes da degradação (canto superior esquerdo) e após a degradação (canto inferior esquerdo); a corrosão faz com que os grãos do material se desconectem uns dos outros. À direita:mapas de absorção de raios-X de filmes finos de Mo-BiVO4 antes da degradação (canto superior direito) e após a degradação (canto inferior direito); as áreas escuras correspondem a áreas com alta concentração de Mo-BiVO4, enquanto as áreas brilhantes indicam regiões com baixa concentração de Mo-BiVO4. Crédito:Berkeley Lab
Na luta contra as mudanças climáticas, os cientistas têm buscado maneiras de substituir os combustíveis fósseis por alternativas livres de carbono, como o hidrogênio.
Um dispositivo conhecido como célula química fotoelétrica (PEC) tem o potencial de produzir combustível de hidrogênio por meio da fotossíntese artificial, uma tecnologia emergente de energia renovável que usa a energia da luz solar para gerar reações químicas, como a divisão da água em hidrogênio e oxigênio.
A chave para o sucesso de um PEC reside não apenas em quão bem seu fotoeletrodo reage com a luz para produzir hidrogênio, mas também oxigênio. Poucos materiais podem fazer isso bem, e de acordo com a teoria, um material inorgânico chamado vanadato de bismuto (BiVO 4 ) é um bom candidato.
No entanto, esta tecnologia ainda é jovem, e pesquisadores da área têm lutado para fazer um BiVO 4 fotoeletrodo que cumpre seu potencial em um dispositivo PEC. Agora, conforme relatado no jornal Pequena , uma equipe de pesquisa liderada por cientistas do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia (Berkeley Lab) e do Centro Conjunto de Fotossíntese Artificial (JCAP), um Centro de Inovação de Energia DOE, ganharam novos insights importantes sobre o que pode estar acontecendo em nanoescala (bilionésimos de um metro) para manter BiVO 4 de volta.
"Quando você faz um material, como um material inorgânico como vanadato de bismuto, você pode supor, só de olhar a olho nu, que o material é homogêneo e uniforme por toda parte, "disse a autora sênior Francesca Toma, um cientista da equipe do JCAP na Divisão de Ciências Químicas do Berkeley Lab. "Mas quando você pode ver detalhes em um material em nanoescala, de repente, o que você presumiu ser homogêneo é, na verdade, heterogêneo - com um conjunto de diferentes propriedades e composições químicas. E se você quiser melhorar a eficiência de um material fotoeletrodo, você precisa saber mais sobre o que está acontecendo em nanoescala. "
Raios-X e simulações trazem uma imagem mais clara em foco
Em um estudo anterior apoiado pelo programa de Pesquisa e Desenvolvimento Dirigido por Laboratório, Toma e a autora principal Johanna Eichhorn desenvolveram uma técnica especial usando um microscópio de força atômica no laboratório JCAP de Berkeley Lab para capturar imagens de vanadato de bismuto de película fina em nanoescala para entender como as propriedades de um material podem afetar seu desempenho em um dispositivo de fotossíntese artificial. (Eichhorn, que está atualmente no Instituto Walter Schottky da Universidade Técnica de Munique, na Alemanha, era pesquisador na Divisão de Ciências Químicas do Berkeley Lab na época do estudo.)
O estudo atual se baseia nesse trabalho pioneiro usando um microscópio de raios-X de transmissão de varredura (STXM) na Fonte de Luz Avançada (ALS) do Berkeley Lab (als.lbl.gov/), um recurso de usuário síncrotron, para mapear as mudanças em um material semicondutor de filme fino feito de vanadato de bismuto de molibdênio (Mo-BiVO 4 )
Os pesquisadores usaram o vanadato de bismuto como um exemplo de caso de fotoeletrodo porque o material pode absorver luz na faixa do visível no espectro solar, e quando combinado com um catalisador, suas propriedades físicas permitem que ele produza oxigênio na reação de divisão da água. O vanadato de bismuto é um dos poucos materiais que pode fazer isso, e neste caso, a adição de uma pequena quantidade de molibdênio ao BiVO 4 de alguma forma melhora seu desempenho, Toma explicou.
Francesca Toma (direita) e Johanna Eichhorn desenvolveram uma técnica especial usando um microscópio de força atômica no laboratório JCAP de Berkeley Lab para capturar imagens de vanadato de bismuto de filme fino em nanoescala para entender como as propriedades de um material podem afetar seu desempenho em um dispositivo de fotossíntese artificial. Crédito:Marilyn Sargent / Berkeley Lab
Quando a água é dividida em H2 e O2, as ligações hidrogênio-hidrogênio e oxigênio-oxigênio precisam se formar. Mas se alguma etapa da divisão da água estiver fora de sincronia, reações indesejadas acontecerão, o que pode levar à corrosão. "E se você quiser escalar um material em um dispositivo comercial de divisão de água, ninguém quer algo que degrada. Queríamos desenvolver uma técnica que mapeie quais regiões em nanoescala são as melhores na produção de oxigênio, "Toma explicou.
Trabalhando com o cientista da equipe de ALS David Shapiro, Toma e sua equipe usaram o STXM para fazer medições de alta resolução em nanoescala de grãos em um filme fino de Mo-BiVO 4 à medida que o material se degradava em resposta à reação de divisão da água desencadeada pela luz e pelo eletrólito.
"A heterogeneidade química em nanoescala em um material pode muitas vezes levar a propriedades interessantes e úteis, e poucas técnicas de microscopia podem sondar a estrutura molecular de um material nesta escala, "Shapiro disse." Os instrumentos STXM na Fonte de Luz Avançada são sondas muito sensíveis que podem quantificar de forma não destrutiva essa heterogeneidade em alta resolução espacial e podem, portanto, fornecer uma compreensão mais profunda dessas propriedades. "
David Prendergast, diretor interino da divisão da Molecular Foundry, e Sebastian Reyes-Lillo, um ex-pesquisador de pós-doutorado na Foundry, ajudou a equipe a entender como o Mo-BiVO 4 responde à luz desenvolvendo ferramentas computacionais para analisar a "impressão digital" espectral de cada molécula. Reyes-Lillo é atualmente professor da Universidade Andres Bello no Chile e usuário de Fundição Molecular. A Molecular Foundry é uma instalação do usuário nacional do Nanoscale Science Research Center.
"A técnica de Prendergast é realmente poderosa, "Disse Toma." Freqüentemente, quando você tem materiais heterogêneos complexos feitos de átomos diferentes, os dados experimentais que você obtém não são fáceis de entender. Essa abordagem explica como interpretar esses dados. E se tivermos um melhor entendimento dos dados, podemos criar estratégias melhores para fazer Mo-BiVO 4 fotoeletrodos menos vulneráveis à corrosão durante a divisão da água. "
Reyes-Lillo acrescentou que o uso desta técnica por Toma e o trabalho no JCAP possibilitaram uma compreensão mais profunda do Mo-BiVO 4 de outra forma, isso não seria possível. "A abordagem revela impressões digitais químicas específicas do elemento da estrutura eletrônica local de um material, tornando-o especialmente adequado para o estudo de fenômenos em nanoescala. Nosso estudo representa um passo para melhorar o desempenho do BiVO semicondutor 4 à base de materiais para tecnologias de combustível solar, " ele disse.
Próximos passos
Os pesquisadores planejam desenvolver ainda mais a técnica, obtendo imagens STXM enquanto o material está operando, para que possam entender como o material muda quimicamente como um fotoeletrodo em um sistema PEC modelo.
“Estou muito orgulhoso deste trabalho. Precisamos encontrar soluções alternativas para os combustíveis fósseis, e precisamos de alternativas renováveis. Mesmo que essa tecnologia não esteja pronta para o mercado amanhã, nossa técnica - junto com os poderosos instrumentos disponíveis para os usuários da Fonte de Luz Avançada e da Fundição Molecular - abrirá novas rotas para que as tecnologias de energia renovável façam a diferença. "
